UV-Ozon-behandeltes reduziertes Graphenoxid verbessert PEDOT:PSS-Lochtransportschicht in invertierten Perowskit-Solarzellen

Zusammenfassung

Invertierte planare Perowskit-Solarzellen (PSCs) bieten eine niedrigtemperaturige, kostengünstige Fertigung und reduzierte Hysterese im Vergleich zu konventionellen n-i-p-Architekturen. Die Leistung von PSCs hängt entscheidend von der Qualität der Lochtransportschicht (HTL) ab. Hier demonstrieren wir eine umweltfreundliche UV-Ozon-Behandlung, die die Hydrophilie von reduziertem Graphenoxid (rGO) verbessert, während dessen hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten bleibt. Das behandelte rGO wird in PEDOT:PSS eingemischt, um eine modifizierte HTL zu bilden. Zellen mit dieser rGO/PEDOT:PSS-Schicht erreichen einen Wirkungsgrad (PCE) von 10,7 %, mit einer Kurzschlussstromdichte (J_SC) von 16,75 mA cm^–2, einer Leerlaufspannung (V_OC) von 0,87 V und einem Füllfaktor (FF) von 75 %. Dies entspricht einer 27 %igen Steigerung gegenüber PSCs mit reinem PEDOT:PSS, zurückzuführen auf die glattere Oberfläche und die verbesserte Lochmobilität der rGO-dotierten Schicht.

Hintergrund

Hybrid organisch-anorganische Perowskite haben sich als führendes photovoltaisches Material etabliert, wobei die PCEs im vergangenen Jahrzehnt von 3,8 % auf 22,1 % stiegen – und damit kristalline Siliziumzellen überholten. Allerdings begrenzt der für traditionelle n-i-p-PSCs erforderliche Hochtemperatur-Glühprozess die Anwendung auf flexiblen Substraten. Die invertierte p-i-n-Struktur, erstmals 2013 von Guo et al. berichtet, platziert ein Lochtransportmaterial (HTM) unter der Perowskitschicht, gefolgt von einem Elektronentransportmaterial (ETM). Diese Architektur vereinfacht die Verarbeitung, reduziert Hysterese und verbessert den Füllfaktor. Trotz Fortschritten bei HTL- und ETL-Entwicklung hinkt der Wirkungsgrad invertierter PSCs noch hinter konventionellen Geräten her.

Graphen und seine Derivate bieten außergewöhnliche Leitfähigkeit, Transparenz und Umgebungsstabilität, was sie für HTL-Modifikationen attraktiv macht. Kommerzielles reduziertes Graphenoxid (rGO) neigt jedoch in wässrigen Medien zur Aggregation aufgrund begrenzter hydrophiler Gruppen, während Graphenoxid (GO) unter geringer Leitfähigkeit leidet. Ein lösungsprozessierbares rGO, das Dispergierbarkeit und Leitfähigkeit ausbalanciert, ist daher wünschenswert. In dieser Arbeit präsentieren wir ein einfaches, umweltfreundliches UV-Ozon-Protokoll, das Hydroxyl- und Carboxylgruppen auf rGO einführt und so eine stabile wässrige Dispersion ermöglicht, ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Die Einarbeitung dieses behandelten rGO in PEDOT:PSS ergibt eine hochleistungsfähige HTL für invertierte PSCs.

Methoden/Experimentell

Chemikalien

PEDOT:PSS (Clevios™ PVP Al 4083), CH₃NH₃I (MAI), PbI₂ (99 %), anhydres N,N-Dimethylformamid (DMF, 99,8 %) und Chlorbenzol (CB, 99,8 %) wurden von Sigma-Aldrich bezogen. [6,6]-Phenyl-C₆₁-buttersäuremethylester (PC₆₁BM, > 99 %) und 2,9-Dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-Phenanthrolin (BCP, > 99 %) stammten von Xi'an Polymer Light Technology Corp. rGO wurde nach dem Protokoll von Y.F. Chen synthetisiert.

Lösungsherstellung

Fünf Milligramm rGO wurden in einer Quarz-Petrischale platziert und 2 h lang UV-Ozon (270 W) ausgesetzt. Das behandelte rGO wurde gesammelt und in deionisiertem Wasser auf eine Konzentration von 1 mg mL^–1 mittels Ultraschallbad dispersiert. Zur HTL-Herstellung wurden rGO-Lösungen (Volumenverhältnisse 0,1, 0,2 und 0,3 v/v) bei Raumtemperatur mit PEDOT:PSS gemischt, über Nacht gerührt und durch 0,45 µm PTFE-Filter filtriert.

Der Perowskit-Vorläufer wurde hergestellt, indem MAI und PbI₂ (1:1 Molverhältnis) in DMF (40 Gew.-%) bei 60 °C für 24 h gelöst und anschließend durch 0,45 µm PTFE-Filter filtriert wurden.

Zellenfertigung

Invertierte PSCs wurden auf ITO (1,5 × 1,5 cm²) gemäß folgender Spin-Coating-Sequenz assembliert: ITO/PEDOT:PSS/rGO/CH₃NH₃PbI₃/PC₆₁BM/BCP/Ag. Die ITO-Substrate wurden mit Aceton, Isopropanol und Wasser gereinigt. Die rGO/PEDOT:PSS-Schicht wurde bei 4000 rpm für 40 s spin-coated und anschließend 10 min bei 150 °C in Luft geglüht. Die Perowskitschicht wurde durch einstufiges Spin-Coating der 40 Gew.-% DMF-Lösung (4000 rpm, 40 s) abgeschieden, gefolgt von einem schnellen Tropfen von 70 µL CB 6 s in den nassen Film. Die Filme wurden 30 min bei 110 °C unter N₂ geglüht. PC₆₁BM (20 mg mL^–1 in CB) wurde bei 3000 rpm für 40 s spin-coated, dann BCP (gesättigte Lösung in IPA) bei 2000 rpm für 30 s. Schließlich wurden 100 nm Ag aufgedampft.

Charakterisierung

XPS wurde mit einem ESCALAB 250 Spektrometer durchgeführt, um Funktionsgruppen zu analysieren. XRD-Muster der Perowskitfilme wurden an einem Bede-Hochauflösungsdiffraktometer aufgenommen. AFM (SPI3800) lieferte Oberflächenmorphologie. Strom-Spannungs-Kennlinien (J-V) wurden mit einem Keithley 2400 unter AM 1,5 G (100 mW cm^–2) Beleuchtung von einem ABET SUN 3000 Solarsimulator gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 veranschaulicht den optischen Kontrast zwischen unbehandelten und UV-Ozon-behandelten rGO-Dispersionen. Das behandelte rGO dispergiert gleichmäßig, was die Einführung hydrophiler –OH- und –COOH-Gruppen ohne vollständige Oxidation belegt, wie die erhaltene schwarze Farbe im Gegensatz zum braunen GO bestätigt.

XPS-Spektren (Abbildung 2) zeigen erhöhte Intensitäten der C-O- und C-(O)-OH-Peaks nach UV-Ozon-Behandlung, was die erfolgreiche Funktionalisierung bei Erhalt des sp²-Netzwerks bestätigt.

Die Perowskit-Kristallinität wurde durch XRD (Abbildung 3) untersucht. Beide Filme auf reinem PEDOT:PSS und rGO/PEDOT:PSS zeigen charakteristische Peaks bei 14,14°, 28,08° und 31,86° (110, 220, 310 Ebenen). Die schärferen Peaks für die rGO-modifizierte HTL deuten auf erhöhte Kristallinität hin, was mit verbesserter Ladungstransport korreliert.

AFM (Abbildung 4) zeigt einen leichten Anstieg der RMS-Rauheit von 1,15 nm (reines PEDOT:PSS) auf 1,27 nm (rGO/PEDOT:PSS). Diese moderate Rauheitszunahme kann das Perowskit-Kornwachstum fördern und unterstützt damit die XRD-Beobachtungen.

Die Zellenleistung (Abbildung 5) zeigt, dass die 0,2 v/v rGO/PEDOT:PSS HTL die besten Kennwerte liefert: V_OC = 0,87 V, J_SC = 16,75 mA cm^–2, FF = 75 % und PCE = 10,75 %. Im Vergleich zu reinem PEDOT:PSS (PCE = 8,48 %) entspricht dies einer 27 %igen Steigerung. Dunkle J-V-Messungen (Abbildung 5b) bestätigen reduzierten Leckstrom, was sowohl V_OC als auch J_SC durch Verringerung des Serienwiderstands und Unterdrückung von Shunts erhöht.

Statistische Analyse von 60 Zellen (Abbildung 6) bestätigt die Reproduzierbarkeit: mittlerer PCE von 9,7 ± 1,04 % für rGO-dotierte Zellen versus 7,65 ± 0,48 % für reines PEDOT:PSS. Die Verbesserung wird hauptsächlich durch höheren J_SC (15,25 ± 1,8 mA cm^–2) und FF (72,37 ± 2,03 %) getrieben und nicht durch V_OC.

Schlussfolgerungen

Wir haben einen einfachen, umweltfreundlichen UV-Ozon-Prozess eingeführt, der wasserdispergierbares rGO mit erhaltener Leitfähigkeit liefert. In PEDOT:PSS eingemischt, wirkt dieses rGO als hochmobiles Additiv, das die Oberflächenmorphologie verbessert und den Geräteleckstrom reduziert. Invertierte PSCs mit 0,2 v/v rGO/PEDOT:PSS erreichen einen PCE von 10,75 %, eine 27 %ige Steigerung gegenüber konventionellen PEDOT:PSS-HTLs. Diese Strategie demonstriert einen gangbaren Weg zu hochwirksamen, lösungsprozessierbaren Perowskit-Solarzellen und könnte auf andere optoelektronische Geräte erweitert werden.